WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

АЛЕКСАНДРОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ Инструментальный комплекс распределенного имитационного моделирования кластерных систем модульного программирования 05.13.11 – Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск – 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте динамики систем и теории управления Сибирского отделения Российской академии наук (ИДСТУ СО РАН).

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Феоктистов Александр Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Краковский Юрий Мечеславович доктор технических наук Окольнишников Виктор Васильевич

Ведущая организация: Новосибирский государственный университет

Защита состоится 17 сентября 2009 г. в 13.30 на заседании диссертационного совета Д 003.021.01 при Институте динамики систем и теории управления СО РАН по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 134.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИДСТУ СО РАН.

Автореферат разослан 14 августа 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н. А.А. Щеглова 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие компьютерных технологий, увеличение пропускной способности сетей передачи данных и постоянный рост требований к вычислительным ресурсам, диктуемых научно-исследовательскими приложениями, обусловили создание вычислительных кластеров, метакомпьютеров, сетей GRID и других распределенных вычислительных сред (РВС). Такие среды предназначены для решения целого класса задач, как правило не предполагающих тесного взаимодействия между параллельными процессами. Интеграция РВС и пакета прикладных программ, функциональные модули которого размещены в узлах этой среды, привела к появлению нового вида предметноориентированных вычислительных комплексов – кластерных систем модульного программирования (КСМП).

Проектирование КСМП сопряжено с решением ряда технических проблем, связанных с необходимостью выбора:

- программно-аппаратной архитектуры для функционирования КСМП;

- прикладного программного обеспечения, которое следует применить для решения задач в КСМП;

- критериев оценки производительности и надежности разрабатываемой КСМП;

- методов и средств организации распределенного имитационного моделирования для изучения работы КСМП.

Из-за значительного объема вычислений и большой сложности КСМП их исследование зачастую требует использования методов имитационного моделирования. Имитационное моделирование включает проведение многократных экспериментов с различными вариантами моделей КСМП с целью определения параметров эффективности функционирования системы. Размер моделей КСМП и особенности их организации требуют значительных вычислительных ресурсов при моделировании подобных систем, что влечет необходимость использования распределенного имитационного моделирования.

Для организации распределенных вычислений разработаны различные технологии, такие как COM/DCOM, CORBA, Java/RMI, PVM, MPI и др. Однако использование этих технологий в сфере распределенного моделирования сдерживается отсутствием в них средств синхронизации модельного времени между удаленными сегментами модели. Другим подходом к организации распределенного имитационного моделирования является использование архитектуры HLA. Но, исходя из анализа работ некоторых исследователей1, можно выделить ряд существенных недостатков этой архитектуры: сложный с точки зрения реализации стандарт, необходимость адаптации готовых моделей к HLA, проблемы с масштабируемостью и отказоустойчивостью распределенных моделей, отсутствие иерархического взаимодействия двух реализаций HLA.

См., например, работы S. Strassburger, B. Liu, D. Chen, J. Lamberts, A. Kapolka и др.

На сегодняшний день разработаны разные модели, методы и средства распределенного имитационного моделирования2, в том числе такие известные системы, как Недис-Р, Мера, Диана, SLX и др. Однако применение этих систем для моделирования КСМП осложнено необходимостью представления и анализа дополнительного уровня описания модели – концептуальной схемы предметной области КСМП. Таким образом, необходима разработка коммуникационной библиотеки, являющейся средством поддержки высокоуровневой системы имитационного моделирования и обеспечивающей синхронное взаимодействие сегментов распределенной модели КСМП.

Запись моделирующего алгоритма на этапе проектирования при помощи элементарных операторов языка моделирования представляет значительные трудности и усложняет ориентировку в его структуре. Представление алгоритма в таком виде, который бы отражал особенности его структуры без излишних второстепенных деталей, выглядит предпочтительнее и требует использования средств автоматизации3 построения модели по ее концептуальному описанию.

Исследования в области технологий программирования4 показывают преимущества графических сред перед текстовыми языками программирования. Обзор в области средств визуализации процессов предметно-ориентированных данных, планирования и выполнения вычислений показал, что существующие системы моделирования не обладают всеми необходимыми средствами для описания модели КСМП. Следовательно, необходима разработка и реализация графической инструментальной среды, предназначенной для решения следующих задач: определения множества функциональных отношений между объектами исследуемой предметной области; описания программно-аппаратной архитектуры создаваемой системы, включая коммуникационную среду; моделирования процессов формирования постановок исследовательских задач, построения и исполнения их планов решения.

Получение адекватных оценок времени решения задач при моделировании КСМП требует прогнозирования времени выполнения каждого из модулей, включенных в план решения задачи. Зачастую КСМП включает так называемые вторичные модули (скомпилированные программы), для которых отсутствуют исходные коды. Это актуализирует применение динамического анализа времени выполнения таких модулей путем определения статистики событий в их реальных прогонах.

Все вышесказанное обуславливает актуальность исследований, выполненных в рамках диссертационной работы.

Цель работы состоит в создании графического инструментального комплекса (ИК) СИРИУС для исследования КСМП с использованием методов ав См., например, работы В.В. Окольнишникова, Р.Л. Смелянского, R.M. Fujimoto, S.Strassburger и др.

Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем / Н.П. Бусленко. – М.: Наука, 1968. – 355 с.

См., например, работы И.В. Вельбицкого, А.П. Ершова, Л.А. Калужнина, Э.Х. Тыугу, G.A. Raeder и др.

томатизации построения GPSS-моделей, распределенного имитационного моделирования и динамического анализа программ.

Объектом исследования являются технологии анализа распределенных вычислительных систем.

Предмет исследования составляют методы и инструментальные средства распределенного имитационного моделирования.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы системного программирования, характерные для автоматизации разработки больших программных комплексов, а также методы имитационного моделирования, организации распределенных вычислений и динамического анализа программ.

Научная новизна. Предложена технология анализа эффективности функционирования КСМП, обеспечивающая (в отличие от известных) комплексное исследование характеристик как прикладного программного обеспечения, так и аппаратных средств РВС. В основе этой технологии лежат разработанные автором методы и инструментальные средства, обеспечивающие распределенное имитационное моделирование КСМП с применением средств динамического анализа программ.

Практическая значимость. Применение разработанного в диссертации ИК СИРИУС дает возможность специалистам-предметникам самостоятельно, без участия высококвалифицированных системных программистов, описывать предметную область, программно-аппаратную архитектуру распределенной КСМП и проводить имитационные испытания с целью исследования эффективности работы проектируемой КСМП.

Разработанные средства зарегистрированы в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам [3, 4] и применяются для проведения экспериментальных расчетов по плановым научноисследовательским работам в ИДСТУ СО РАН, а также в учебном процессе в Международном институте экономики и лингвистики Иркутского государственного университета.

Разработка и применение представленных в диссертации программных средств выполнялись в рамках интеграционного проекта № 3 СО РАН «Методы, технологии и инструментальные средства создания вычислительной инфраструктуры в Internet» (2003–2005 гг.); проекта СО РАН 3.2.6 «Интегрированные информационно-вычислительные и коммуникационные ресурсы: интеллектные методы организации, автоматизации разработки и применения» (2004–2006 гг.);

проекта СО РАН «Разработка научных основ распределенной информационноаналитической системы на основе ГИС и Веб-технологий для междисциплинарных исследований» междисциплинарной программы 4.5.2 (2007–2009 гг.) и проекта РФФИ № 04-07-90358 «Разработка и реализация распределенной вычислительной системы решения булевых уравнений большой размерности».

Достоверность результатов диссертации подтверждается успешным опытом практического применения ИК СИРИУС для моделирования процесса функционирования ряда КСМП, а также для проектирования архитектуры вычислительного кластера вуза.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены на научно-практических конференциях «Ляпуновские чтения» (Иркутск, 2004 г., 2007 г.), на IV Всероссийской конференции «Математика, информатика, управление» (Иркутск, 2005 г.), на VI-VIII Школах-семинарах молодых ученых «Математическое моделирование, управление и информационные технологии» (Иркутск, весна 2005 г., осень 2005 г., 2006 г.), на V и VI Международных научно-практических конференциях «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2005 г., 2006 г.), на V Школе-семинаре «Распределенные и кластерные вычисления» (Красноярск, 2006 г.), на Всероссийской конференции «Инфокоммуникационные и вычислительные технологии и системы» (Энхалук, 2006 г.), на XII Байкальской всероссийской конференции с международным участием «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (Иркутск, 2007 г.), на Международной научной конференции «Параллельные вычислительные технологии (ПАВТ)» (Челябинск, 2007 г.), на VI Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления (SICPRO)» (Москва, 2007 г.), на Международной конференции «Геоинформатика: технологии, научные проекты» (Иркутск, 2008 г.), на Всероссийской конференции «Математическое моделирование и вычислительно-информационные технологии в междисциплинарных научных исследованиях» (Иркутск, 2009 г.), а также на семинарах ИДСТУ СО РАН.

Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, включая 2 статьи [1, 2] в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертации, 11 публикаций [5-15] в трудах региональных, всероссийских и международных конференций, 2 свидетельства [3, 4] об официальной регистрации программ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

В перечисленных работах все результаты, связанные с алгоритмизацией, программной реализацией и вычислительными экспериментами на ЭВМ, получены автором лично. Результаты по разработке моделей и методов организации распределенного имитационного моделирования вычислительных систем получены совместно с А.Г. Феоктистовым и являются неделимыми. Из совместных работ с В.И. Дмитриевым, А.С. Корсуковым, А.В. Лариной и Г.А. Опариным в диссертацию включены только те результаты, которые принадлежат лично автору.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 102 наименования, списка сокращений, глоссария и 5 приложений. Общий объем работы 171 страница, из них 139 страниц основного текста, включающего 27 рисунков и 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1.

Во введении выполнен обзор основных теоретических подходов, существующих архитектур и инструментальных средств, предназначенных для построения и анализа КСМП. Обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведена структура работы.

В первой главе показана актуальность задачи моделирования КСМП, обоснована необходимость применения суперкомпьютерной вычислительной техники при моделировании сложных систем и использования распределенного имитационного моделирования как метода исследования сложных систем. Приведено понятие системы массового обслуживания (СМО) как разновидности сложной системы. Описаны базовые характеристики функционирования СМО.

Задача исследования КСМП сведена к задаче моделирования СМО. Описаны преимущества специализированных языков моделирования с точки зрения реализации модели СМО по сравнению с языками общего назначения. Обоснована актуальность использования высокоуровневых систем имитационного моделирования СМО, таких как GPSS World и GPSS/H. Осуществлен анализ параллельных и распределенных технологий, таких как PVM, MPI, CORBA, RMI и др. Эти технологии обладают общим характерным недостатком: отсутствием методов синхронизации времени, что делает их применение для организации распределенного моделирования достаточно сложным. Рассмотрена архитектура HLA, предназначенная для распределенного моделирования. Анализ недостатков HLA с точки зрения решения поставленных в диссертации задач обуславливает необходимость разработки собственных программных средств для обеспечения взаимодействия удаленных сегментов модели. Представлены различные методы синхронизации времени в распределенных моделях, проанализированы их особенности, обоснован выбор консервативного алгоритма синхронизации для задачи моделирования КСМП. Приведены характеристики КСМП как объекта имитационного моделирования.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»